CN108390591B - 一种带有分流翅片的平板式温差发电器及其翅片角度确定方法 - Google Patents

一种带有分流翅片的平板式温差发电器及其翅片角度确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种带有分流翅片的平板式温差发电器及其翅片角度确定方法，所述分流翅片沿气流方向共有3列，依次为第一分流翅片(安装在集热箱中部，固定角度45°)、第二分流翅片(安装在第一和第三分流翅片中间，可变角度α)、第三分流翅片(安装在集热箱尾部，固定角度90°)。当尾气从入口流入集热箱时，通过后端分流翅片的分流作用，尾气流向附有导热翅片的两端，热端壁面温度上升；同时第二分流翅片设计成合理的角度α，使壁面的整体温度分布更加均匀，各模块的输出一致。本发明能够提高温差发电器的效率，且结构简单，具有广阔的应用前景。

Description

一种带有分流翅片的平板式温差发电器及其翅片角度确定 方法
技术领域
本发明属于温差发电领域，是一种带有分流翅片的平板式温差发电器及其翅片角度确定方法，本发明能有效的提高集热箱后端壁面的温度，使得壁面整体温度分布均匀，从而提升温差发电器的输出性能。
背景技术
中国是一个汽车使用大国，2016年底全国民用汽车保有量达到19440万辆，而汽车发动机绝大多数使用的都是汽油机或者柴油机，燃油燃烧的能量约有65％以热量的形式损失，造成了巨大的能源浪费。
温差发电器(TEG)是一种基于塞贝克效应而发展起来的一种能源回收技术，当温差发电模块(TEM)两端存在温差时，就能产生电流，实现热量的有效回收。由于TEG能够直接把热量转化成电能，且具有无运动组件、安全、无污染和结构简单等优点，最近几年兴起了对TEG的研究热潮。应用于汽车尾气的温差发电器(TEG)，热端直接利用废弃尾气的热量，冷端采用风冷或者车载循环水冷系统，其输出的电能可以用于车载电器的供电或者存储于车载蓄电池中。但是，尾气流动过程中存在热量损失，造成TEG热端壁面的温度分布不均匀，使得单个温差发电模块(TEM)输出不一致，影响整个TEG的输出功率。
发明内容
本发明的目的是提供一种带有分流翅片的平板式温差发电器及其翅片角度确定方法，在3个不同角度翅片的分流作用下，尾气流经TEG导热翅片的程度不一样，使得TEG热端壁面的整体温度分布均匀，从而提升温差发电器的输出功率和效率。
本发明的所采用的技术方案是：一种带有分流翅片的平板式温差发电器，包括集热箱、导热翅片、分流翅片、温差发电模块、温度传感器；所述导热翅片附在集热箱内部两侧的壁面a、集热箱壁面a’上；所述分流翅片连接集热箱内部的上壁面b、下壁面b’，包括第一分流翅片、第二分流翅片、第三分流翅片；所述温差发电模块均匀分布在集热箱外部两侧壁面上，包括依次排列的温差发电模块1区、温差发电模块2区、温差发电模块3区和温差发电模块4区，集热箱入口端盖靠近温差发电模块1区，集热箱出口端盖靠近温差发电模块4区，温差发电模块包含上端温差发电片A、下端温差发电片B两层，温差发电模块上附有温度传感器。
进一步，所述导热翅片采用热导率较高的金属材料，热导率λ>200W/(m×K)。
进一步，所述分流翅片采用热导率较低的非金属材料，热导率λ<10W/(m×K)。
进一步，集热箱长度范围为100mm-500mm；第一分流翅片安装在集热箱中部，沿集热箱横截面方向固定角度45°；第二分流翅片安装在第一和第三分流翅片中间，沿集热箱横截面方向角度为α，随集热箱的具体尺寸而定；第三分流翅片安装在集热箱尾部，距离集热箱出口2mm-10mm，沿气流方向固定角度90°。
本发明的方法的技术方案为：一种带有分流翅片的平板式温差发电器的翅片角度确定方法，包括如下步骤：
步骤1)确定第二分流翅片角度α与集热箱壁面a或壁面a’的总体平均温差值ΔT之间的关系，其关系定义为ΔT＝T(α)；步骤2)ΔT会随着角度α的增加先减小后增加，寻找最优α角使得ΔT最小的过程。
进一步，步骤1)的具体过程为：
步骤1.1，给α赋一给定值；
步骤1.2，确定该α值下，各个温差发电区域的平均温度其中，j＝1，2，3，4表示4个温差发电区域，表示第j个区域的平均温度，TAj表示第j个区域温度传感器A(11)的温度，TBj表示第j个区域温度传感器B(13)的温度；
步骤1.3，确定各温差发电区域间的平均温差其中，表示第一个区域与第二个区域的平均温差，表示第2个区域与第3个区域的平均温差，表示第3个区域与第4个区域的平均温差；
步骤1.4，确定壁面a或壁面a’的总体平均温差ΔT，
进一步，步骤2)的具体过程为：
步骤2.1，设定初始值，i＝0；
步骤2.2，令a＝10i；
步骤2.3，确定不同α值时的总体温差ΔTi＝T(α)；
步骤2.4，i＝i+1；
步骤2.5，判断ΔTi≥ΔTi-1？若是，则进入下一步，若不是，则返回步骤2.2；
步骤2.6，令α1＝10(i-1)，ΔT1＝T(α1)，令a2＝10i，ΔT2＝T(α2)；
步骤2.7，令α＝(α1+α2)/2，ΔT＝T(α)；
步骤2.8，判断ΔT≥ΔT1？若是，则令α2＝α，ΔT2＝T(α2)，若不是，则令α1＝α，ΔT1＝T(α1)；
步骤2.9，判断|α1-α2|≤1？，若是，则得到最优角度α＝(α1+α2)/2，若不是，则返回步骤2.7；经过多次寻优过程，最终确定第二分流翅片角度为α。
进一步，当迭代第四次时，满足条件|α1-α2|≤1，最终确定最优第二分流翅片角度α为60.625°，且此时壁面a、壁面a’的总体平均温差ΔT为0.91K。
本发明具有以下的技术效果：针对不同尺寸的平板式温差发电器，在集热箱后半部加入三个分流翅片，且第二分流翅片的角度α随不同的尺寸而定，最终实现各个温差发电区域间的总体温差达到最小，从而提升温差发电器的输出性能。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但是本发明的保护范围并不限于此。
附图说明
附图1是平板式温差发电器的俯视图；
附图2是平板式温差发电器的主视图；
附图3是平板式温差发电器的左视图；
附图4是分流翅片的主视图和俯视图；
附图5是第二分流翅片角度确定方法的流程图；
附图6是ΔT随α值的关系曲线；
图中：1-入口端盖，2-导热翅片，3-温差发电模块，4-温度传感器，5-第一分流翅片，6-第二分流翅片，7-第三分流翅片，8-出口端盖，9-集热箱，10-温差发电模块1区，11-温差发电模块2区，12-温差发电模块3区，13-温差发电模块4区，14-各区域的上端温差发电片A，15-各区域的上端温度传感器A，16-各区域的下端温差发电片B，17-各区域的下端温度传感器B，18-集热箱壁面b，19-集热箱壁面b’，20-集热箱壁面a，21-集热箱壁面a’。
具体实施方式
如图1-3所示，一种带有分流翅片的平板式温差发电器，包括集热箱9、导热翅片2、分流翅片、温差发电模块3、温度传感器4；所述导热翅片2附在集热箱内部两侧的壁面a20、集热箱壁面a’21上；所述分流翅片连接集热箱内部的上壁面b18、下壁面b’19，包括第一分流翅片5、第二分流翅片6、第三分流翅片7；所述温差发电模块3均匀分布在集热箱外部两侧壁面上，包括依次排列的温差发电模块1区10、温差发电模块2区11、温差发电模块3区12和温差发电模块4区13，集热箱入口端盖1靠近温差发电模块1区，集热箱出口端盖8靠近温差发电模块4区，温差发电模块3包含上端温差发电片A14、下端温差发电片B16两层，温差发电模块上附有温度传感器。集热箱长度范围为100mm-500mm；第一分流翅片安装在集热箱中部，沿集热箱横截面方向固定角度45°；第二分流翅片安装在第一和第三分流翅片中间，沿集热箱横截面方向角度为α，随集热箱的具体尺寸而定；第三分流翅片安装在集热箱尾部，距离集热箱出口2mm-10mm，沿气流方向固定角度90°。
本实例所用的温差发电器具体尺寸为：
本实例集热箱内部流动空气的物理参数如下：
本实例集热箱左、右壁面和导热翅片所用材料为铝，集热箱上下壁面和分流翅片所用材料为耐高温的非金属聚合物，其导热系数为2W/m2.K，端盖所用材料为不锈钢。
根据步骤2.5得到的迭代数据如下表所示：
α/° 0 10 20 30 40 50 60 70
ΔT/K 2.37 2 1.64 1.4 1.18 1 0.93 1.083
由该数据绘制的ΔT-α曲线如附图5所示，可以看出，最优α值出现在60°-70°之间。
根据步骤2.9得到的寻优过程：
α<sub>1</sub>/° α<sub>2</sub>/° α/° ΔT<sub>1</sub>/K ΔT<sub>2</sub>/K ΔT/K
初值 60 70 0.93 1.083
第一次 60 65 65 0.93 1.0 1.0
第二次 60 62.5 62.5 0.93 0.95 0.95
第三次 60 61.25 61.25 0.93 0.93 0.93
第四次 60 60.625 60.625 0.93 0.91 0.91
当迭代第四次时，满足条件|α1-α2|≤1，最终确定最优第二分流翅片角度α为60.625°，且此时壁面a、a’的总体平均温差ΔT为0.91K。
附图4是分流翅片的主视图和俯视图；附图5是第二分流翅片角度确定方法的流程图；附图6是ΔT随α值的关系曲线。由此可知所述分流翅片沿气流方向共有3列，依次为第一分流翅片(安装在集热箱中部，固定角度45°)、第二分流翅片(安装在第一和第三分流翅片中间，可变角度α)、第三分流翅片(安装在集热箱尾部，固定角度90°)。当尾气从入口流入集热箱时，通过后端分流翅片的分流作用，尾气流向附有导热翅片的两端，热端壁面温度上升；同时第二分流翅片设计成合理的角度α，使壁面的整体温度分布更加均匀，各模块的输出一致。本发明能够提高温差发电器的效率，且结构简单，具有广阔的应用前景。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种带有分流翅片的平板式温差发电器的翅片角度确定方法，带有分流翅片的平板式温差发电器包括集热箱(9)、导热翅片(2)、分流翅片、温差发电模块(3)、温度传感器(4)；所述导热翅片(2)附在集热箱内部两侧的壁面a(20)、集热箱壁面a’(21)上；所述分流翅片连接集热箱内部的上壁面b(18)、下壁面b’(19)，包括第一分流翅片(5)、第二分流翅片(6)、第三分流翅片(7)；所述温差发电模块(3)均匀分布在集热箱外部两侧壁面上，包括依次排列的温差发电模块1区(10)、温差发电模块2区(11)、温差发电模块3区(12)和温差发电模块4区(13)，集热箱入口端盖(1)靠近温差发电模块1区，集热箱出口端盖(8)靠近温差发电模块4区，温差发电模块(3)包含上端温差发电片A(14)、下端温差发电片B(16)两层，温差发电模块上附有温度传感器；其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1)确定第二分流翅片角度α与集热箱壁面a或壁面a’的总体平均温差值ΔT之间的关系，其关系定义为ΔT＝T(α)；步骤2)ΔT会随着角度α的增加先减小后增加，寻找最优α角使得ΔT最小的过程。
2.根据权利要求1所述的一种带有分流翅片的平板式温差发电器的翅片角度确定方法，其特征在于，步骤1)的具体过程为：
步骤1.1，给α赋一给定值；
步骤1.2，确定该α值下，各个温差发电区域的平均温度其中，j＝1，2，3，4表示4个温差发电区域，表示第j个区域的平均温度，TAj表示第j个区域温度传感器A(11)的温度，TBj表示第j个区域温度传感器B(13)的温度；
步骤1.3，确定各温差发电区域间的平均温差其中，表示第一个区域与第二个区域的平均温差，表示第2个区域与第3个区域的平均温差，表示第3个区域与第4个区域的平均温差；
步骤1.4，确定壁面a或壁面a’的总体平均温差ΔT，
3.根据权利要求1所述的一种带有分流翅片的平板式温差发电器的翅片角度确定方法，其特征在于，步骤2)的具体过程为：
步骤2.1，设定初始值，i＝0；
步骤2.2，令a＝10i；
步骤2.3，确定不同α值时的总体平均温差ΔTi＝T(α)；
步骤2.4，i＝i+1，确定总体平均温差ΔTi＝T(α)；
步骤2.5，判断ΔTi≥ΔTi-1？若是，则进入下一步，若不是，则返回步骤2.2；
步骤2.6，令α1＝10(i-1)，ΔT1＝T(α1)，令a2＝10i，ΔT2＝T(α2)；
步骤2.7，令α＝(α1+α2)/2，ΔT＝T(α)；
步骤2.8，判断ΔT≥ΔT1？若是，则令α2＝α，ΔT2＝T(α2)，若不是，则令α1＝α，ΔT1＝T(α1)；
步骤2.9，判断|α1-α2|≤1？，若是，则得到最优角度α＝(α1+α2)/2，若不是，则返回步骤2.7；经过多次寻优过程，最终确定第二分流翅片角度为α。
4.根据权利要求3所述的一种带有分流翅片的平板式温差发电器的翅片角度确定方法，其特征在于，当迭代第四次时，满足条件|α1-α2|≤1，最终确定最优第二分流翅片角度α为60.625°，且此时壁面a、壁面a’的总体平均温差ΔT为0.91K。
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